线性可调直流稳压电源设计详解

电源

　　直流稳压电源能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。
　　线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以重量较大。
　　该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。

　　一、设计任务

　　1、课题名称：线性可调直流稳压电源
　　2、设计要求
　　①输出电压：Vo=4.5～12.0V；
　　②最大输出电流：Iomax≥1A；
　　③输出纹波：VP-P≤10mV；
　　④电压调整率：Ku≤5%（最大输出电流时）；
　　⑤电流调整率：Ki≤3%。（输出为12V时）。
　　二、硬件设计

　　1、直流稳压电源设计思路
　　（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
　　（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向脉动直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
　　（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
　　（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给电压表。
　　2、直流稳压电源原理
　　（1）直流稳压电源
　　直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

　　①电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
　　②整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
　　③滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
　　④稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
　　（2）整流电路
　　①直流电路常采用二极管单相全波整流电路
　　②工作原理
　　设变压器副边电压u2=错误！未找到引用源。U2sinωt，U2为有效值。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

　　在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为（U2是变压器副边电压有效值）。
　　（3）滤波电路——电容滤波电路原理图
　　采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。
　　在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图4所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。

　　从图3可以看出，当u2为正半周时，电源错误！未找到引用源。通过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1～t2），输出电压
　　u0=uc≈u2；错误！未找到引用源。达峰值后u2减小，当u0≥u2时，VD1、VD3提前截止，电容C通过RL放电，输出电压缓慢下降（如t2～t3），由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，当uc下降不多时u2已开始下一个上升周期，当u2＞u0时，电源u2又通过导通的VD2、VD4向负载RL供电，同时再给电容C充电（如t3～t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压平滑多了。
　　显然，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。若负载开路（RL=∞），电容无放电回路，输出电压将保持为错误！未找到引用源。的峰值不变。输出电压的估算：
　　显然，电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数τ=RLC有关，τ应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当

　　时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即

　　整流二极管导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足

　　在已知负载电阻RL的情况下，根据式子选择滤波电容C的容量，即

　　若容量偏小，输出电压UO将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。
　　（4）稳压电路

　　①电路的构成：同相比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以输出电压就可调；同时为了扩大输出电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成具有放大环节的串联型稳压电路。用两个P41组成的复合管做调整管，电阻R1与稳压管D3构成基准电压电路，电阻R2、R3和R4为输出电压的采样电阻，集成运放LM358作为比较放大电路。调整管、基准电压电路、采样电阻和比较放大电路构成串联型稳压电路的基本部分。电容C1、C2和C3起到滤波作用。
　　②稳压原理：由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压U0升高（降低），采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端电位UZ经行比较放大；A的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；因为电路采用射极输出形式，所以输出电压U0必然降低（升高），从而使U0得到稳定。

　　电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压的。
　　3、原理图

　　三、实物

　　图 7线性可调直流稳压电源正面

　　图 8线性可调直流稳压电源反面

　　四、方案总结

　　最先设计的方案稳压模块集成运放输出端通过电阻R3分压再通过调整管是输出端稳压。通过焊好电路板测试时发现不能进行稳压，电压会随着负载的变化而变化，调整管射极输出端受到负载影响，稳定性较差。优化设计方案后将电阻R1和R2去掉换成晶体管tiP41后稳压模块的稳定性受到的影响降低。

　　五、主要元器件

　　六、元器件清单